自噬研究的相关知识.ppt

二 自噬溶酶体系统 1 什么是自噬 自噬 autophagy 性细胞死亡 是凋亡和坏死之外的第三种程序性细胞死亡方式 自噬是真核生物进化过程中高度保守一类降解途径 通过形成双层膜的自噬体 将蛋白质等生物大分子或细胞器 线粒体等 回收至溶酶体将其降解为氨基酸 单糖等小分子 实现循环再利用 自噬体的半衰期8min左右 是细胞对于环境变化的有效反应 2 细胞自噬的分类 1 巨型细胞自噬 macroautophagy 又称为大自噬 是指细胞内新生的球状脂质双层包裹胞浆蛋白和细胞器 并运送到溶酶体降解的自噬行为 2 微型细胞自噬 microautophagy 又称为小自噬 是指通过溶酶体膜的内陷 突起和 或分隔 直接吞入细胞浆的自噬行为 3 分子伴侣介导的细胞自噬 chaperonemediatedautophagy CMA 是指由分子伴侣将靶蛋白转送至溶酶体内的自噬行为 这只见于哺乳类动物细胞 根据细胞物质运到溶酶体内的途径不同 3 4 Autophagy Autophagyisacellulardegradationsysteminwhichcytoplasmiccomponents includingorganelles long lifeproteinaresequesteredbydouble membranestructurescalledautophagosomesandthesequesteredmaterialsaredegradedbylysosomalhydrolases 5 基础自噬 是一种在大多数细胞中持续发生而水平相对较低的细胞自噬过程 对细胞内物质的更新及细胞内环境稳态的维持具有不可或缺的作用 诱导自噬 是细胞应对外界刺激的一种保护反应 缺少营养物质或能量 受到氧胁迫等情况下 细胞的自噬水平在短时间内剧烈升高的细胞自噬过程 如哺乳动物出生后初期 由于母体不再提供营养来源 幼体的细胞自噬非常活跃 这为维持其生命活动起了非常重要的作用 基础自噬和诱导自噬 6 自噬进程 1 自噬的诱导激活2 自噬体的成核和延伸3 自噬体与溶酶体融合4 内容物降解 7 第一步 自噬的诱导 一系列自噬相关基因 autophagy relatedgene Atg 组成的复合体参与调控自噬体的形成 主要是Atg1 ULK1复合体 包括Atg1 Atg13 Atg17 mTORC1磷酸化Atg1 ULK1和Atg13抑制自噬的起始 mTORC1失活 自噬激活 ULK1去磷酸化 8 Atg7 Atg3 induction 9 10 第二步 自噬体的成核 细胞在接受自噬诱导信号后 在胞浆中形成一个小的膜样结构 分离膜 isolationmembrane IM 然后不断向两边延伸 成扁平状 被称为前自噬体 pre autophagosomePAS 是自噬发生的标志之一 需要Atg6 Beclin1 Class PI3K复合体以及Atg12 Atg5 Atg16L复合体 形态特点 自噬前体多呈新月形或半环形 为游离双层膜结构 两层膜之间有腔 随着自噬前体增大和包裹内容物 内腔变得不明显 多种ATG蛋白参与自噬前体的组装 组分来源 来源于独立形成的特殊膜结构或线粒体 内质网或高尔基复合体等膜结构 11 Atg7 Atg3 induction 12 13 第二步 自噬体膜的延伸 自噬前体在两个类泛素系统作用下 包括Atg12 Atg5 Atg16L复合体和LC3 Atg8 作用下 LC3不断接受PE 扩展膜的长度 成为成熟的闭合自噬泡 形态特点 自噬前体由半月形 不断延伸成闭合的完整的双层膜结构的圆形自噬泡 内容物为不断捕获的待降解的衰老的蛋白 细胞器 蛋白聚集体 Atg7 Atg3 14 15 第三步 自噬体与溶酶体的融合 被运送到溶酶体 两者的生物膜融合 变成一个自噬溶酶体 atuolysosome 形态特点 多呈圆形或椭圆形 由于自噬体内膜很快被降解 在透射电镜下自噬溶酶体常不易与其他形式的溶酶体区别 16 第四步 自噬溶酶体内的酸性水解酶降解囊泡中的内容物 成为降解性自噬体 degradativeautophagicvacuole 17 自噬的诱导 自噬体的成核和延伸 自噬溶酶体的形成 内容物的降解 18 自噬的调节 1 mTOR活性调节 2 胰岛素 激活mtor 抑制FoxO3 19 自噬调控的中心分子TOR targetofrapamycin 雷帕霉素作用的靶位点 Tagetofrapamycin TOR 是氨基酸 ATP和激素的感受器 它在调节细胞生长和自噬的发生过程有重要作用 TOR targetofrapamycin 能感受细胞的多种变化信号 加强或降低自噬的发生水平 细胞内ATP水平 缺氧等细胞信号都可直接或间接通过TOR将其整合 从而改变细胞的自噬发生 应对不同的外界环境刺激 20 Atg1是一种丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶 哺乳动物中同源蛋白ULK1 ULK1以复合物的形式存在 除了ULK1本身 还包括mAtg13 FIP200 一种与黏着斑激酶FAK相互作用的蛋白 和Atg101 Atg1 ULK1蛋白激酶复合体 当营养足够时 哺乳动物雷帕霉素靶蛋白复合物1 mTORC1 与Atg1 ULK1复合物与结合 通过磷酸化Atg1 ULK1和ATG13从而抑制自噬的起始从而抑制自噬 在饥饿的条件下 mTORC1从Atg1 ULK1复合物上分离 从而诱导自噬体的成核 Nucleation 和延伸 Elongation 21 AMPK是细胞中感受能量状态调节代谢的一个蛋白激酶 在自噬发生的调控中也发挥着重要的作用 低ATP水平状态下 如饥饿或缺氧 AMPK能感受AMP的水平变化而激活 从而磷酸化结节性硬化复合体TSC2 tuberoussclerosisprotein 加强TSC1 2对Rheb的抑制 最终使mTOR的活性被抑制 诱导细胞发生自噬 AMPK AMP activatedproteinkinase 22 Atg9是迄今发现的唯一一个编码跨膜蛋白的Atg基因 能通过影响膜泡运输对自噬发生起调控作用 营养物质缺乏时 Atg9与Atg23 Atg27结合 将它们运输至PAS Atg9 mAtg9 23 在Atg5 Atg12 Atg16连接系统中 首先由Atg7 E1 活化Atg12 然后将Atg12传递给类Atg10 E2 最后 Atg12被传递到Atg5 与Atg5的Lys共价结合形成Atg12 Atg5复合物 自噬发生时 Atg16和Atg12 Atg5结合 Atg16含有一个螺旋卷曲结构易于形成低聚物 使得其能把更多的Atg12 Atg5连接起来形成巨大复合物 从而可能为参与自噬泡形成的蛋白质提供相互作用的平台 自噬发生时 此复合物定位于隔离膜上 参与LC3 II的形成过程 从而促进自噬泡膜的延长 自噬发生过程中有两组类泛素化修饰过程 分别发生在Atg5 Atg12 Atg16连接系统和Atg8 LC3连接系统中 用于隔离膜的延长和自噬泡的形成 Atg5 Atg12 Atg16复合物 24 Atg8 LC3LC3 是酵母Atg8分子在哺乳动物中的同源物 是自噬发生的一个标志蛋白 功能 促进自噬泡膜的延长和融合 是自噬泡形成所必需的 LC3合成后 最初以pro LC3形式存在 然后立刻被Atg4B切割形成LC3 I 自噬发生时 均匀分布于细胞质中的LC3 I被Atg7 E1 活化并与其形成硫酯键 然后被传递给Atg3 E2 并最终在Atg5 Atg12 Atg16复合物 E3 的帮助下连接上一个PE分子 形成具有膜结合能力的LC3 II Atg16L的细胞定位决定了LC3成熟的位置 并促进LC3 II结合到自噬泡上 25 自噬小泡的成核需要含有ATG6 其哺乳动物同源蛋白命名为Beclin1 的复合物 这个复合物能够与第三类磷酸肌醇3激酶VPS34形成超级复合物并使其激活产生磷脂酰肌醇3磷酸 PI3P可以组装一些含有PX和FYVE结构域的蛋白质到早期自噬泡产生的位置 促使自噬前体的形成 ATG6 Beclin 1 26 Vps34是哺乳动物中的第III类PI3K 在Vps34复合物中 Vps34因结合Vps15而被激活 并进一步结合Beclin1形成Vps34 Vps15 Beclin1复合体 功能 自噬发生时 Vps34 Vps15 Beclin和多种自噬相关蛋白结合 传递自噬信号促进自噬发生 Vps34 PI3K Beclin1复合物 1 如与Atg14结合形成Atg14 Vps34 Vps15 Beclin1复合物参与自噬泡的形成 2 与VRAG结合形成VRAG Vps34 Vps15 Beclin1在自噬泡成熟和运输中起作用 3 促进产生磷脂酰肌醇 3 磷酸 PI3P PI3P可以组装一些含有PX和FYVE结构域的蛋白质到早期自噬泡产生的位置 促使自噬前体的形成 27 自噬的分子机制 mTORC1 哺乳动物的雷帕霉素靶蛋白复合物1Atg12 LC3 两种泛素样加工系统 包裹自噬底物形成自噬体 Atg12 Atg5 Atg16L1 与外膜结合 促进伸展Atg5 决定膜伸展方向LC3 自噬体标志分子 判断诱导或抑制Atg9 嵌膜蛋白来回循环移动活化该激酶复合物从而产生自噬分隔膜 PE 磷脂酰乙醇胺 28 29 Physiologicalandpathologicalrolesofautophagy 30 1 应激功能细胞自噬是细胞在饥饿条件下的一种存活机制 在营养充足条件下 自噬发生处于较低水平 仅在胞质中去除受损和多余的细胞器以维持细胞内环境稳定 称为基本自噬 细胞营养缺失时 细胞立即启动自噬以维持胞质中氨基酸池的平衡 可通过合成新的蛋白质 能量生成和促进糖异生来避免细胞 饿死 自噬的生物学意义 31 2 防御功能在细胞受到致病微生物感染时 细胞自噬起一定的防御作用 某些细菌和病毒可逃离异噬途径 避免溶酶体消化 李斯特菌属 志贺杆菌属 立克次体属等的细菌可通过降解异噬体膜逃入细胞质 细胞能够通过自噬发挥先天性免疫作用 抵抗细菌入侵 结核杆菌通常定居于异噬体内 但可激活自噬途径被溶酶体酶杀死 自噬也可以将病毒核酸转运至胞内感受器上激活天然免疫 还可以将病毒抗原递呈给 类分子激活适应性免疫 发挥抗病毒作用 32 4 延长寿命细胞自噬可降解损伤的细胞器 细胞膜和变性蛋白等胞内成分 如果细胞自噬受损衰竭 细胞损伤就会堆积 累加 产生老化 长期减少热量摄入 在一些物种能延长寿命 3 维持细胞稳态在骨骼机和心肌 细胞自噬有特殊的 看家 housekeeping 功能 帮助细胞浆成分 包括线粒体 进行更新 33 自噬样细胞死亡 autophagiccelldeath ACD 在研究自噬与凋亡的关系时 人们发现细胞死亡前胞浆中存在大量的自噬体或自噬溶酶体 但这样的细胞缺乏凋亡的典型特点 如核固缩 pyknosis 核破裂 细胞皱缩 没有凋亡小体的形成等 被称为自噬样细胞死亡 它是一种新的细胞程序性死亡 为了与凋亡区别 被命名为TypeIIcelldeath 相应的 凋亡为TypeIcelldeath 坏死为TypeIIIcelldeath 尽管这样 但对于自噬是否是细胞死亡的直接原因目前还存在很大的争议 到底是自噬引起死亡还是死亡时有自噬发生 但不是直接原因 5 参与控制细胞死亡及癌症 34 自噬在肿瘤发生中的双重作用 在多种人类肿瘤中均存在自噬活性的改变 一方面 自噬可抑制肿瘤的发生 首先 自噬可清除受损细胞器以避免有害的氧自由基蓄积及突变的发生 其次 自噬可限制DNA损伤 维持基因组完整性 在永生化鼠肾上皮细胞中自噬活性降低可导致细胞DNA损伤 基因扩增 染色体非整倍性 从而增加了致癌性突变率 促进了肿瘤的发生 再次 自噬可抑制细胞生长 诱发凋亡性细胞死亡 细胞自噬与肿瘤 35 另一方面 自噬通过限制细胞坏死和炎症促使肿瘤细胞存活于代谢性应激的环境中 这些肿瘤细胞所具有的高自噬活性能增强肿瘤对应激的适应性 对肿瘤细胞在恶劣环境中的生存起到了一定的保护作用 当快速生长的肿瘤细胞缺乏营养时 实体肿瘤内部血供不良 癌细胞利用自噬机制对抗营养缺乏和缺氧 通过降解胞内蛋白质及细胞器为肿瘤细胞的生长提供营养及能量 可能利于肿瘤细胞在低血管化的环境中生长 36 自噬检测技术 1自噬性结构的电镜下形态学观察 电镜检测自噬主要是基于辨认自噬体结构电镜下可观察到双层膜的自噬体和单层膜的自噬溶酶体结构 其中包裹着未被完全降解的胞浆成分 初始自噬囊泡 Avi 降解自噬囊泡 AVd 缺点 电镜观察仅能证明自噬性结构的存在 难以反映自噬活性的强弱 37 2基于自噬体标记蛋白LC3的检测方法微管相关蛋白1轻链3 LC3 LC3 始终稳定地保留在自噬体膜上直到与溶酶体融合 因此被用来作为自噬体的标记 2 1通过构建绿色荧光蛋白 GFP 和LC3的融合蛋白 通过荧光显微镜就可观察LC3在细胞中的定位 通过免疫荧光的方法检测内源性LC3或转染GFP LC3融合蛋白的表达 自噬诱导后的细胞表现为点状聚集增 理论上 观察到的点状聚集的数目即为自噬体的数量 根据点状聚集的密集程度可以判断细胞自噬的情况 可以从总体上大致反映自噬的增加或减少 38 除了荧光显微镜观察LC3外 LC3还是生化方法检测自噬体的有利工具 内源性LC3 II的量在某种程度上可反映细胞自噬活性 因此 通过免疫印记方法检测LC3 II信号的强弱来对哺乳动物细胞自噬活性进行定量检测 2 2LC3 的水平在某种程度上反映了自噬体的多少 Control Starvation 39 Xdepletionpromotesautophagy Si X control Starvation LC3 p62 actin Starvation XKnowdown Mock X Nutrient LC3 40 GFP LC3切割LC3连同自噬体内膜和内容物一起被溶酶体降解 但GFP在溶酶体中仅表现荧光信号猝灭 GFP本身并不被降解 在自噬性溶酶体降解后会释放出游离的GFP 有鉴于此 通过免疫印迹的方法检测游离GFP蛋白的出现即意味着自噬性降解的发生 GFP 2 3GFP LC3剪切分析 41 3基于自噬性降解的检测 自噬潮 分析 自噬潮是一个动态连续的概念 涵盖了自噬体的形成 自噬性底物向溶酶体的运送以及在溶酶体内降解的整个过程 3 1长寿命蛋白降解根据自噬机制主要负责降解长寿命蛋白的特性 先让细胞在含有同位素标记氨基酸的培养基中生长一段时间 数小时至数天 细胞在此期间合成的蛋白质都将被同位素标记 然后换成不含同位素的培养基 让一些被标记的短寿命蛋白通过蛋白酶体途径降解 在自噬诱导后 通过检测培养上清中释放的自噬性降解产物的放射性活度即可反映细胞自噬性降解的能力 优点 较单纯自噬体检测更能反映自噬活性 自噬潮 分析是反映自噬活性的可靠指标 42 自噬诱导后 融合表达GFP LC3蛋白锚定于自噬体膜上并与自噬体一起与溶酶体融合 溶酶体内的酸性环境可以导致GFP荧光信号的猝灭 红色荧光蛋白RFP对酸性环境具有很好的耐受性 借助于两种荧光蛋白的这种差异 通过构建RFP GFP LC3串联体 在自噬诱导后 可以观察到自噬体和自噬溶酶体分别成黄色和红色标记 如果自噬潮增加 两种颜色的点状聚集均增 如果自噬体向自噬溶酶体成熟步骤受阻 黄色点状聚集